瀘定地震中典型隔震建筑震害分析

吳小賓, 彭志楨, 周定松

(中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，成都 610042)

0 引言

隔震技術(shù)的運(yùn)用在保護(hù)建筑結(jié)構(gòu)免受強(qiáng)震作用危害同時,可減小上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸,增大豎向構(gòu)件間距,使得高烈度設(shè)防地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)布置較為靈活,建筑功能更加優(yōu)化;由于能夠有效降低上部建筑地震響應(yīng),對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備也能起到保護(hù)作用。但過去的隔震建筑設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)[1-2]主要以保護(hù)強(qiáng)震下主體結(jié)構(gòu)安全為目標(biāo),對保持建筑功能正常使用要求并不明確,設(shè)計人員未能足夠重視建筑做法、設(shè)備管道在強(qiáng)震下的工作可持續(xù)性。本文通過瀘定地震兩個隔震建筑的典型震害分析,梳理了目前隔震建筑設(shè)計的不足,特別是對照國務(wù)院頒布的《建設(shè)工程抗震管理條例》對“兩區(qū)八類建筑”[3]提出的設(shè)防地震下保持正常使用功能的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),提出改進(jìn)建議。

1 地震概況

2022年9月5日12時52分,四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級地震。震中位于瀘定縣磨西鎮(zhèn)(北緯29.59°,東經(jīng)102.08°),震源深度16km。根據(jù)中國地震局發(fā)布的“瀘定6.8級地震烈度圖”[4],瀘定地震波及的遭遇烈度為6度及以上的地區(qū),其設(shè)防烈度基本不低于8度。據(jù)不完全統(tǒng)計,上述地區(qū)分布有約12棟隔震建筑,均為汶川地震后所建。本文所述兩個隔震建筑均位于遭遇烈度9度區(qū)域,如圖1所示。其余隔震建筑遭遇烈度為6度或7度。

圖1 隔震建筑遭遇烈度圖

2 某教學(xué)行政樓隔震建筑典型震損

2.1 隔震結(jié)構(gòu)概況

該工程于2021年底建成,其抗震設(shè)防烈度為9度(0.40g)[5],地震分組第三組,場地類別Ⅱ類,特征周期0.45s。建筑由隔離縫分為五個結(jié)構(gòu)單元,其中主樓采用基礎(chǔ)隔震,底部設(shè)有地下隔震層,上部結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),平面為“一”字形,中間為6層,兩側(cè)為2層裙房;正前方左右各有2層副樓,采用框架抗震結(jié)構(gòu);正前和后方中間為單層階梯(樓梯)平臺,采用框架抗震結(jié)構(gòu)。隔離縫寬度700mm以上,沿主樓四周設(shè)置;隔震層采用組合減隔震方式,共設(shè)置54個直徑為1 100mm的隔震支座,其中LNB1100共8個,LRB1100共46個;橫向和縱向各布置6組共12根VFD700×600桿式液壓黏滯阻尼器,作為減小隔震層水平位移的措施。隔震層平面布置見圖2,建筑鳥瞰圖見圖3,主樓與副樓剖面圖見圖4。

圖2 隔震層平面布置圖

圖3 建筑鳥瞰圖

圖4 主樓與副樓剖面圖

隔震層黏滯阻尼器兩端在Y向與上、下支墩連接,在X向由于柱距較大,阻尼器長度不夠,在隔震上層框架梁下設(shè)置懸臂式上支墩進(jìn)行連接。阻尼器連接方式如圖5所示。

圖5 阻尼器連接示意圖

2.2 隔震層震損分析

隔震支座整體表現(xiàn)較好,沒有明顯震害特征,除個別支座外基本復(fù)位,如圖6所示。但設(shè)置的12根黏滯阻尼器部件均出現(xiàn)震害,包括阻尼器破壞、連接錨件破壞及支墩破壞。

圖6 隔震支座震后情況較好

2.2.1 黏滯阻尼器破壞

黏滯阻尼器破壞主要表現(xiàn)為端部及中部出現(xiàn)彎折變形,如圖7所示。而中部彎折變形主要由于缸筒與副筒連接松動及脫落引起,如圖8所示?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分黏滯阻尼器活塞桿未出現(xiàn)運(yùn)動,對比其參數(shù)設(shè)置與實際遭受地震的情況,原因可能是遭受的地震速度超過阻尼器設(shè)計速度,導(dǎo)致活塞桿鎖死,力完全傳至缸筒與副筒,使得兩者的絲口連接被拉壞松動,甚至脫開,活塞桿受壓屈曲而導(dǎo)致阻尼器變形。

圖7 黏滯阻尼器端部及中部彎折變形

圖8 阻尼器典型破壞形態(tài)

2.2.2 連接埋件破壞

與鋼筋混凝土支墩的連接埋件破壞有3種:

(1)錨筋(φ20)與錨板(20mm厚)的T形焊接失效,錨筋脫落,如圖9所示。埋件的錨筋與錨板的T形連接采用壓力埋弧焊時,在地震動力反復(fù)作用下的可靠性存在問題,因此有必要采用融透性更好、更為可靠的穿孔塞焊,建議相關(guān)規(guī)范應(yīng)予以明確。

圖9 錨筋與鋼板T形焊接失效

(2) 埋件連同混凝土錨固體一起被拉出,發(fā)生錨固破壞。現(xiàn)場量出錨筋錨固長度約255mm,不到15d(d為錨筋直徑),錨筋錨固長度明顯不夠,導(dǎo)致發(fā)生群錨失效的情況,如圖10所示。

圖10 錨筋短而導(dǎo)致群錨失效

(3)錨筋拉斷或拉出,如圖11所示。說明預(yù)埋件受到的實際拉力超過預(yù)期的設(shè)計值,錨筋的數(shù)量及承載力不足,導(dǎo)致破壞。

圖11 錨筋量少導(dǎo)致拉斷或拉出

2.2.3 支墩破壞

鋼筋混凝土支墩的破壞有兩種情況:

(1)懸臂式上支墩局部斜拉破壞,裂縫寬度集中于個別斜裂縫,如圖12所示。主要原因為阻尼器連接靠近支墩下端邊緣,拉力擴(kuò)散范圍有限。因此,支墩設(shè)計應(yīng)注意傳力的有效性,阻尼器與鋼筋混凝土支墩的連接位置應(yīng)與支墩端部保持一定距離,并在支墩中設(shè)置局部抗剪鋼筋,如彎起鋼筋等。

圖12 懸臂式上支墩破壞形態(tài)

(2)采用上、下支墩交錯連接方式的上支墩受剪扭破壞,產(chǎn)生從支墩底部向上延伸至角部上方的斜裂縫,如圖13所示。主要原因為上支墩隨隔震上層發(fā)生位移后,與固定不動的下支墩發(fā)生錯位,之間的阻尼器對支墩截面偏心,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力偶,導(dǎo)致支墩發(fā)生剪扭破壞,如圖14所示。因此,支墩設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行罕震地震作用下的隔震層大變形位移狀態(tài)時的剪扭驗算。

圖13 上支墩受剪扭破壞

圖14 支墩在隔震層大變形狀態(tài)受剪扭作用示意圖

2.3 隔離縫震損

豎向隔離縫的處理為隔震建筑設(shè)計的老大難問題。過去的隔震建筑設(shè)計以犧牲小我(建筑做法)、實現(xiàn)大我(結(jié)構(gòu)安全)、創(chuàng)造價值(經(jīng)濟(jì)性好)的傳統(tǒng)思路進(jìn)行隔離縫的處理。例如2013年蘆山地震時,采用隔震技術(shù)的蘆山縣人民醫(yī)院門診樓,地震后整體表現(xiàn)良好,但存在隔離縫震損問題[6]。

涉及豎向隔離縫的處理包括:隔震層與室外地坪、出入口地面;懸掛式電梯井道與地下室樓層;隔離縫兩側(cè)建筑間通道、屋面系統(tǒng)連接等。隔離縫構(gòu)造處理不好,阻礙隔震上部結(jié)構(gòu)在地震下的運(yùn)動,易發(fā)生碰撞造成結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震損,影響隔震建筑的正常使用,增加震后建筑功能恢復(fù)的難度。國務(wù)院744號令《建設(shè)工程抗震管理條例》的實施,要求設(shè)防地震下“兩區(qū)八類建筑”保持正常使用功能[3],對抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提出更高要求,在此背景下,過去以確保結(jié)構(gòu)安全為主,對震后建筑正常使用未有嚴(yán)格要求的隔震設(shè)計思路需要進(jìn)行調(diào)整,并采取系統(tǒng)性的改進(jìn)措施來滿足新要求。

2.3.1 主出入口處的豎向隔離縫震損

前后門階梯或樓梯平臺的建筑做法(C15或C20細(xì)石混凝土斜坡,長度1.7m)妨礙了隔震主樓位移,并受到推擠和來回碰撞,如圖15所示。

圖15 主出入口處的隔離縫震損及構(gòu)造

因細(xì)石混凝土斜坡直接鋪設(shè)在平臺結(jié)構(gòu)樓板上,其間未設(shè)可滑移的隔離層,由于其面積大且自身具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度,導(dǎo)致隔震主樓與平臺斜坡發(fā)生推擠,其中后門樓梯平臺發(fā)生約5°向外傾斜,框架梁柱端部出鉸受損,如圖16所示。

圖16 后門樓梯平臺受隔震主樓推擠受損

2.3.2 相鄰建筑的隔離縫震損

建筑立面凸出部位被忽視,造成隔離縫寬度不夠,產(chǎn)生碰撞,如圖17所示。

圖17 建筑立面凸出造成碰撞

副樓屋面與隔震主樓的建筑做法(外保溫及裝飾)未進(jìn)行隔斷劃分,藕斷絲連造成建筑面層破壞。與縫垂直方向的副樓女兒墻無避讓間距,造成與隔震主樓碰撞,如圖18所示。

圖18 主樓與副樓相連建筑做法損壞

非隔震副樓砌體女兒墻構(gòu)造柱與隔震主樓裙房屋面的豎向隔離縫蓋板連接,地震時帶動副樓砌體女兒墻垮塌,如圖19所示。

圖19 副樓女兒墻由于構(gòu)造柱與主樓相連導(dǎo)致垮塌

隔震與非隔震建筑通道處隔離縫蓋板簡陋,支承長度不能滿足隔震位移大小、多向位移需求,地震時掉落,給人員疏散造成困難,見圖20。

圖20 相鄰建筑通道處隔離縫蓋板掉落

2.3.3 室外地坪處的隔離縫震損

多處室外地坪處的隔離縫蓋板未注意地震位移的多方向性,僅僅在一個方向處理成無障礙,其他方向未能避開相鄰非隔震建筑,導(dǎo)致地震時發(fā)生未避讓方向的碰撞,如圖21所示。

水平隔離縫設(shè)置成斜坡形式,限制了順坡方向的隔震建筑自由移動,如圖22所示。

2.4 設(shè)備管道震損

穿越隔震層的管道不設(shè)柔性連接或柔性連接預(yù)留的可變形長度不夠,導(dǎo)致管道拉脫,如圖23所示。

圖21 隔離縫蓋板另一方向被阻導(dǎo)致碰撞圖22 斜坡隔離縫碰撞圖23 設(shè)備管道震損

2.5 隔震主樓震損

與隔震主樓相鄰的非隔震副樓(2層框架結(jié)構(gòu)),填充墻開裂較多且較嚴(yán)重,如圖24所示。而隔震主樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本完好,填充墻大部分完好,少量出現(xiàn)裂縫,如圖25所示。

圖24 非隔震副樓震損

圖25 隔震主樓震損

從“保持正常使用”的角度看,隔震主樓出現(xiàn)電器箱柜傾倒、物品摔碎、掉落,玻璃隔斷碎裂,吊頂?shù)袈涞?反映出隔震建筑因建筑構(gòu)造做法等未處理得當(dāng)而發(fā)生碰撞,導(dǎo)致隔震效果較理想隔震相去甚遠(yuǎn),見圖26。

3 某宿舍樓隔震建筑典型震損

3.1 隔震結(jié)構(gòu)概況

該宿舍樓項目位于磨西鎮(zhèn),2016年建成。建筑設(shè)防類別為丙類。建筑面積約0.49萬m2,無地下室,地上4層,房屋高度16.5m,如圖27所示。采用框架結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)隔震。設(shè)防烈度為9度(0.4g),地震分組為第三組,場地類別為Ⅱ類。隔震后上部結(jié)構(gòu)按8度(0.2g)地震輸入進(jìn)行設(shè)計(水平減震系數(shù)β=0.283)。該建筑在瀘定地震中的遭遇烈度為9度。

圖27 某宿舍樓概況

隔震層布置示意如圖28所示。共布置32個隔震支座,其中8個LRB600、24個LRB700。隔震溝寬度240mm,地震時隔震層實際移動約240mm。

圖28 隔震層布置示意圖

3.2 隔震層震損

隔震層震后現(xiàn)場雜亂,見圖29。隔震層未完全復(fù)位,主要震害包括:大量隔震支座損壞、未復(fù)位;緊貼隔震層邊梁的磚砌體墻及其支承的豎向隔離縫蓋板垮塌;水管拉脫、斷裂;避雷連接鐵條斷裂。

圖29 隔震層震后整體狀態(tài)

3.2.1 隔震支座震損

位于建筑四角的LRB600隔震支座未復(fù)位,且在上封板或下封板處橡膠層斷裂、錯位,如圖30所示。邊、中間支座均有殘余變形,其中中間支座殘余變形相對較小,如圖31所示。地震下,觀測隔震層位移約240mm,小于0.55d(支座最小直徑d為600mm)的值,說明隔震支座變形在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[7]之內(nèi),但復(fù)位能力未達(dá)要求。

圖30 建筑四角隔震支座震損

圖31 邊支座和中間支座未復(fù)位

3.2.2 隔離縫震損

豎向隔離縫處理簡陋,是典型傳統(tǒng)隔震建筑設(shè)計思路下的結(jié)果,隔離縫構(gòu)造大樣如圖32所示。由于內(nèi)支承砌體墻緊靠隔震層邊梁,地震時被推倒,隔離縫蓋板掉落,其震損如圖33所示。

圖32 隔離縫構(gòu)造大樣

圖33 隔離縫震損

3.2.3 設(shè)備管道震損

設(shè)備管道穿越隔震層的做法思路與隔離縫處理如出一撤,以簡陋方式處理的結(jié)果必然是地震時的破壞,如圖34所示。

圖34 設(shè)備管道穿越隔震層破壞

避雷連接件沒有設(shè)置U形連接,預(yù)留可變形長度不夠,被拉脫,如圖35所示。

圖35 避雷連接件拉脫

3.3 上部建筑震損

隔震層耗散了大部分地震能量,保護(hù)了上部結(jié)構(gòu),上部建筑結(jié)構(gòu)震后基本完好,如圖36所示。局部位置有墻皮、踢腳、物品掉落,如圖37所示,說明上部結(jié)構(gòu)移動時同周邊有一定接觸或碰撞,但力度不大。

圖36 上部結(jié)構(gòu)基本完好

圖37 建筑飾面震損

4 總結(jié)與建議

瀘定地震中兩個隔震建筑是我國為數(shù)不多的設(shè)防烈度9度、遭遇烈度也達(dá)到9度的典型隔震建筑,分析其震害原因并加以總結(jié),對于改進(jìn)、完善隔震技術(shù)在推廣應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和不足,特別是滿足國務(wù)院744號令《建設(shè)工程抗震管理條例》所提出的“兩區(qū)八類建筑”在設(shè)防地震下保持正常使用功能的要求,具有重要意義。

4.1 隔震設(shè)計需要全專業(yè)重視

(1)隔震建筑設(shè)計需要全專業(yè)協(xié)調(diào)配合,從方案到施工圖應(yīng)全階段貫穿始終。方案階段要解決好隔震層位置、隔離縫布置等關(guān)鍵問題,施工圖階段要解決好隔離縫構(gòu)造、設(shè)備管道穿越等問題。應(yīng)特別注意保證隔離縫同時滿足各向位移需求。

(2)重視隔震方案的合理性[8],避免結(jié)構(gòu)專業(yè)對其他專業(yè)的影響過大。特別是避免設(shè)縫過多,將建筑平面分隔過于零碎,造成建筑構(gòu)造處理困難,導(dǎo)致碰撞可能性增加。

4.2 結(jié)構(gòu)隔震設(shè)計

(1)注意隔震建筑地震位移的多向性,各方向都應(yīng)同時預(yù)留足夠變形空間。

(2)阻尼器預(yù)埋件的錨筋應(yīng)嚴(yán)格按抗震要求進(jìn)行錨固,錨筋與鋼板的T形焊接應(yīng)采用穿孔塞焊以提高焊接可靠性和抗地震動力反復(fù)作用能力。

(3)地震下,隔震層上、下支墩發(fā)生雙向位移,支承于上、下支墩的消能器在大變形下所作用的阻尼力將偏離支墩重心,支墩設(shè)計應(yīng)復(fù)核在偏心力作用下的剪扭承載力。

(4)寬度較大的隔離縫應(yīng)注意防掉落及通行需求的設(shè)計及構(gòu)造。

(5)隔震層應(yīng)預(yù)留檢修口,隔震層凈高不易過小,并預(yù)留更換支座的操作條件。

4.3 建筑與設(shè)備的隔震設(shè)計

(1)建筑構(gòu)造宜避免“藕斷絲連”,即結(jié)構(gòu)分離而建筑做法未能分隔。豎向隔離縫處宜設(shè)置易推離、防掉落、甚至可復(fù)位蓋板,在蓋板上覆蓋樓地面建筑面層。

(2)隔震層應(yīng)采取措施防止積水。

(3)穿越隔離縫的各類水管、通風(fēng)管、天然氣管應(yīng)采用設(shè)置U形變形段的軟連接[9],預(yù)留長度應(yīng)足夠。豎向管道不應(yīng)占用豎向隔離縫空間。豎向管道井應(yīng)按隔離縫要求進(jìn)行設(shè)置。

4.4 施工、檢驗與驗收

(1)強(qiáng)化主體設(shè)計院對隔震減震產(chǎn)品、埋件、連接件設(shè)計的監(jiān)督責(zé)任。

(2)確保隔震減震產(chǎn)品進(jìn)場見證檢驗的抽樣隨機(jī)性。

(3)建立隔震減震器件的產(chǎn)品身份信息和可追溯性的平臺或系統(tǒng)。

4.5 建設(shè)單位責(zé)任

(1)對隔震技術(shù)應(yīng)有全面了解。在分包有關(guān)建設(shè)項目如景觀園林、天然氣等應(yīng)告知隔震要求并進(jìn)行隔震設(shè)計。

(2)隔震層應(yīng)保持干凈清潔,無建筑功能的隔震層不得用于其他用處,如儲物等。

(3)不應(yīng)自行隨意加建改造。

(4)發(fā)生地震及火災(zāi)后,對隔震產(chǎn)品進(jìn)行外觀初步檢查,發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)通知設(shè)計施工等相關(guān)單位協(xié)商處理。

致謝：感謝中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司熊耀清博士、西南交通大學(xué)潘毅教授提供部分資料。本文分析結(jié)果及建議僅供專業(yè)技術(shù)討論參考,不作為對實際震害現(xiàn)象的結(jié)論性解釋。